JP2007007524A - Method and apparatus for producing monodisperse ultrafine particles by supercritical solution rapid cooling method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超臨界流体と界面活性剤を用いた単分散超微粒子の製造方法およびその装置に関するものである。特に、本発明は超臨界二酸化炭素に溶解した溶質を急速に冷却することにより、ナノメートルからミクロンメートルまでの難水溶性超微粒子懸濁液を製造する方法およびその装置に関するものである。 The present invention relates to a method for producing monodispersed ultrafine particles using a supercritical fluid and a surfactant and an apparatus therefor. In particular, the present invention relates to a method and an apparatus for producing a hardly water-soluble ultrafine particle suspension of nanometer to micrometer by rapidly cooling a solute dissolved in supercritical carbon dioxide.
物質を微粒子化すると表面積が大きくなり、機能や移動性、透過性などの特性が変わることから、薬剤の微粒子化が求められている。従来は摩砕や衝撃式の粉砕機で微粒子化されているが、粉砕には限界があることと粉砕微粒子が凝集しやすいことから単分散微粒子の製造が困難であった。 When a substance is made fine particles, the surface area becomes large, and characteristics such as function, mobility, and permeability change. Conventionally, fine particles are obtained by grinding or an impact type pulverizer, but it is difficult to produce monodisperse fine particles because there is a limit to pulverization and the pulverized fine particles easily aggregate.
近年、超臨界流体を用いる微粒子の製造法が注目されている。すなわち、超臨界流体に溶質を溶解させた後、超臨界二酸化炭素をノズルから大気中に噴射すると、二酸化炭素が急速に気体となり揮散するとともに、圧力低下により溶質が析出して微粒子が生成する方法が超臨界流体急速膨張法(RESS)である。本方法では生成粒子が凝集しやすく、生成粒子が微粒子になるほど回収が困難となるために、難水溶性微粒子の回収と凝集防止のため、RESSの改良法として、超臨界溶液を回収溶液に噴射することにより、微粒子を製造するRESAS法が開発されている。 In recent years, a method for producing fine particles using a supercritical fluid has attracted attention. That is, after dissolving a solute in a supercritical fluid, when supercritical carbon dioxide is injected into the atmosphere from a nozzle, the carbon dioxide rapidly vaporizes and volatilizes, and the solute precipitates due to a pressure drop to generate fine particles. Is the supercritical fluid rapid expansion method (RESS). In this method, the generated particles are likely to aggregate, and the more the generated particles become finer, the more difficult it is to recover. Therefore, as a modified method of RESS, supercritical solution is injected into the recovered solution to recover and prevent aggregation of poorly water-soluble particles. Thus, the RESAS method for producing fine particles has been developed.
Matsonらが研究した急速膨張法(RESS)は、有機溶剤を使わない利点を持ち、超臨界二酸化炭素に溶ける溶質の微粒子化に有効であり、特許や文献に多数発表されている(非特許文献1−3に参照)。Youngらが改良したRESAS法も、RESSの基本概念を採用している。RESSとRESAS両方とも急激な減圧で、超臨界流体に溶解した溶質を高い過飽和状態にすることを特徴とする。
微粒子を溶液中に分散するために、界面活性剤はよく利用される。このような手法はRESAS法やSAS法にも応用されている(特許文献1−2に参照)。
溶質を有機溶剤で溶解してからノズルを通し急速冷却することによる超微粒子を製造する方法は、Williamsらにより特許化された(特許文献3に参照)。
The rapid expansion method (RESS) studied by Matson et al. Has the advantage of not using an organic solvent, and is effective for atomization of solutes soluble in supercritical carbon dioxide, and has been published in many patents and literature (non-patent literature) See 1-3). The RESAS method improved by Young et al. Also adopts the basic concept of RESS. Both RESS and RESAS are characterized by high supersaturation of the solute dissolved in the supercritical fluid under rapid decompression.
A surfactant is often used to disperse the fine particles in the solution. Such a method is also applied to the RESAS method and the SAS method (see Patent Document 1-2).
A method for producing ultrafine particles by dissolving a solute with an organic solvent and then rapidly cooling it through a nozzle was patented by Williams et al. (See Patent Document 3).
RESS法ではミクロン以上の粒子を生成しやすいが、サブミクロン特に100ナノ以下のナノサイズの粒子は作製困難である(非特許文献3に参照)。そして、大気中に噴射した微粒子の回収も大きい難点になっている。RESAS法では、難水溶性微粒子に対して回収問題をほぼ解決でき、微細ノズルを採用すればサブミクロンの微粒子も作製できるという利点がある。ただ、ナノサイズの超微粒子を製作するために、サブミクロンないしナノサイズの超微細ノズルが必要になり、ノズル製作の難しさと流量の制限があるため、産業への応用が困難という欠点がある。また、特許文献3のような急速噴射冷凍法では、有機溶剤を使うため、薬剤などの微粒子を製作には、薬剤の純度や環境汚染などの問題を指摘されている。
有機溶剤を使う薬剤の微粒子化法が研究されているが、環境負荷の低減や安全性向上などの面から超臨界流体法が有利である。超臨界流体に溶けた溶質の溶解度は圧力と温度に依存する。その過飽和度は圧力の変化に敏感であり、急速膨張するとき圧力の減少とともに、溶質の過飽和度は激しく変化する。超臨界流体はバルブや配管を通過時に圧力損失があるので、流体がノズルに到着する前に、溶質が核生成し、凝集や合併によるミクロン又はミクロンレベルまで成長してしまう。より小さい超微粒子を調整するためには、溶質の過飽和度の調整手段、結晶成長を素早く停止させる方法の開発が必要である。 A method for atomizing a drug using an organic solvent has been studied, but the supercritical fluid method is advantageous in terms of reducing environmental burden and improving safety. The solubility of a solute dissolved in a supercritical fluid depends on pressure and temperature. The degree of supersaturation is sensitive to changes in pressure, and the solute supersaturation changes drastically with decreasing pressure when rapidly expanding. Supercritical fluids have a pressure loss when passing through valves and pipes, so the solute nucleates before the fluid reaches the nozzle and grows to the micron or micron level due to aggregation and merger. In order to adjust smaller ultrafine particles, it is necessary to develop a means for adjusting the degree of supersaturation of solutes and a method for quickly stopping crystal growth.
RESS法とRESAS法では、生成された粒子のサイズが微細ノズルのサイズに大きく依存する。ノズル径が小さいほど生成粒子が微粒子化される。耐圧性のノズルはほとんどが金属製であり、レーザーで加工できるノズルの直径は数十ミクロン程度である。また、たとえ特製微細ノズルが有ったとしても、微細ノズルからの流量が小さく、微粒子の量産化が困難である。
本発明は、有機溶剤と微粒子化ための微細ノズルを使用しない、単分散した超微粒子の製造方法を提供するものである。
In the RESS method and RESAS method, the size of the generated particles greatly depends on the size of the fine nozzle. The smaller the nozzle diameter, the finer the generated particles. Most pressure-resistant nozzles are made of metal, and the diameter of nozzles that can be processed by laser is about several tens of microns. Moreover, even if there is a special fine nozzle, the flow rate from the fine nozzle is small, and mass production of fine particles is difficult.
The present invention provides a method for producing monodispersed ultrafine particles without using an organic solvent and a fine nozzle for making fine particles.
本発明は以上のような問題を解決するために、有機溶剤と微粒子化ための微細ノズルを使わず、超臨界溶液中の溶質の核生成直後、超微粒子表面に界面活性剤を吸着させ、直ちに超微粒子の結晶成長を止め、単分散超微粒子を作製しようとするものである。
すなわち、本発明は、以下の(1)ないし(10)の単分散超微粒子製造の制御方法を要旨とする。
(1)急速に超臨界溶液を冷却することで、超臨界溶液の温度を臨界点以上から大幅に臨界点以下に下げ、急速に超臨界状態から非超臨界状態である液相又は液−固両相にさせる制御方法。
(2)溶質が溶けない溶液を超臨界流体の臨界点より低い温度に冷却し、この冷却液をノズルに通して超臨界溶液に噴射することで、霧状液滴又は微細流体を形成する。該冷却相が噴出された際の激しい降温効果を利用する冷却方法。冷却液を噴射する際、超微粒子作製高圧チャンバー全体を外部から冷却する方法。
(3)上記(1)ないし(2)の方法で、超臨界溶液に溶けた溶質の溶解度の大幅な減少に伴って高い過飽和度を達成し、該溶質の析出による超微粒子の製造する方法。
(4)超臨界溶液と冷却液を接触させることにより、前記溶質を冷却液の中に析出する該溶質超微粒子の生成方法。
(5)形成された超微粒子を冷却液中で捕捉・回収する該超微粒子の製造方法。
(6)冷却液内に添加した界面活性剤が超微粒子表面に吸着することで、第一次超微粒子の凝集や結晶成長を停止する方法。
(7)単一あるいは複数の親水性界面活性剤の種類、添加濃度、混合比を変えることにより、微粒子の分散効果を制御する方法。
(8)冷却液の注入量、注入温度と注入圧力、超微粒子作製高圧チャンバーの温度と圧力変えることにより、冷却効果を制御する方法。
(9)密封容器内で、該超微粒子を単分散懸濁液として完全回収する方法。
(10)上記(1)から(9)の方法で、超微粒子の形成、分散、回収を同時に完成することを特徴とする難水溶性超微粒子懸濁液の迅速製造方法。
In order to solve the above problems, the present invention does not use an organic solvent and a fine nozzle for atomization, immediately after nucleation of a solute in a supercritical solution, adsorbs a surfactant on the surface of the ultrafine particle, and immediately It is intended to stop the crystal growth of ultrafine particles and produce monodisperse ultrafine particles.
That is, the gist of the present invention is the following (1) to (10) control method for producing monodisperse ultrafine particles.
(1) By rapidly cooling the supercritical solution, the temperature of the supercritical solution is greatly lowered from the critical point to below the critical point, and the liquid phase or liquid-solid state is rapidly changed from the supercritical state to the non-supercritical state. Control method to make both phases.
(2) A solution in which a solute does not dissolve is cooled to a temperature lower than the critical point of the supercritical fluid, and this cooling liquid is passed through a nozzle and sprayed onto the supercritical solution to form a mist droplet or a fine fluid. A cooling method that utilizes the intense cooling effect when the cooling phase is ejected. A method of cooling the entire ultrafine particle production high-pressure chamber from the outside when spraying the coolant.
(3) A method for producing ultrafine particles by achieving high supersaturation with a significant decrease in the solubility of the solute dissolved in the supercritical solution by the above methods (1) and (2) and by precipitation of the solute.
(4) A method for producing the solute ultrafine particles, wherein the solute is precipitated in the coolant by bringing the supercritical solution into contact with the coolant.
(5) A method for producing the ultrafine particles, wherein the formed ultrafine particles are captured and recovered in a coolant.
(6) A method in which aggregation of primary ultrafine particles and crystal growth are stopped by adsorbing the surfactant added in the cooling liquid to the surface of the ultrafine particles.
(7) A method for controlling the dispersion effect of fine particles by changing the kind, addition concentration, and mixing ratio of single or plural hydrophilic surfactants.
(8) A method of controlling the cooling effect by changing the injection amount of the cooling liquid, the injection temperature and pressure, and the temperature and pressure of the ultrafine particle production high pressure chamber.
(9) A method in which the ultrafine particles are completely recovered as a monodispersed suspension in a sealed container.
(10) A method for rapidly producing a water-insoluble ultrafine particle suspension, wherein the formation, dispersion and recovery of ultrafine particles are simultaneously completed by the methods (1) to (9) above.
本発明にかかわる装置は、溶質を溶解する圧力と温度に調整できる超臨界流体制御部、適切な冷却液温度と圧力を調整できる冷却液制御部、噴射部、超微粒子の回収部で構成される。 The apparatus according to the present invention includes a supercritical fluid control unit capable of adjusting the pressure and temperature for dissolving a solute, a coolant control unit capable of adjusting an appropriate coolant temperature and pressure, an injection unit, and an ultrafine particle recovery unit. .
本発明は、有機溶剤を使わず、例えば毒性のない超臨界二酸化炭素を溶剤として、ナノメートルからミクロンメートルまでの難水溶性超微粒子の形成、第一次粒子の凝集防止、作製した超微粒子の完全回収、単分散な超微粒子懸濁液を迅速に製造することができる。 The present invention does not use an organic solvent, for example, using non-toxic supercritical carbon dioxide as a solvent, forms water-insoluble ultrafine particles from nanometer to micrometer, prevents aggregation of primary particles, A fully recovered, monodispersed ultrafine particle suspension can be rapidly produced.
本発明を実施するための実施形態について図面1と図面2を参照して説明する。 図1は本発明実施例の装置を説明するための図面である。図2は、冷却液と界面活性剤の作用、超微粒子の生成機構、単分散超微粒子縣濁液の形成過程を説明するための模式図である。親水性界面活性剤を含む冷却水で超臨界二酸化炭酸に溶解した難水溶性物質の微粒子化を例として説明する。
まず、最初に本発明における各項目について説明する。
超微粒子:本来、ナノメートル前後の粒子だけがナノ粒子と思われるが、特に薬剤微粒子製造分野では、1ミクロンメートル以下の粒子をナノ粒子と呼ぶ。本発明では、ナノオーダーからミクロオーダーまでの粒子を超微粒子と呼ぶ。
超臨界溶液:溶質を入れた超臨界流体である。本来、超臨界流体とは、物質の臨界点を超えた温度、圧力にある流体であり、物質を溶解する能力が気体や液体よりも遥かに高い。実施例における超臨界流体は、例えば、毒性がなく操作しやすい超臨界二酸化炭素が挙げられる。その他に取扱いやすい超臨界流体としては、エタン、プロパン、メタノール、エタノール、アンモニア、キセノン等が考えられる。
界面活性剤:界面に物質が吸着し、その界面張力が低下する現象を界面活性と呼び、特に少量で著しい界面活性を示す効果的な物質を界面活性剤と呼ぶ。実施例における界面活性剤は、安全性のことを考えた上、難水溶性薬剤微粒子に向けてHLB15ぐらいの親水性非イオン化界面活性剤を選択した。非イオン性界面活性剤の他、陰イオン性界面活性剤、陽イオン性界面活性剤、両性界面活性剤等が考えられる。
超臨界流体に溶ける溶質:各種薬剤の中にほぼ三分の一が水に溶けにくいが、超臨界二酸化炭素中に溶ける薬剤は珍しくない。例えば、消炎薬としてのアスピリンや麻酔と心臓不整脈に使うリドカインなどが挙げられる。その他、顔料、化粧品、高分子材料等も考えられる。
懸濁液:液体に固体粒子が分散した溶液。又は、コロイド溶液、サスペンションともいう。実施例で得られる懸濁液は、水、超微粒子と界面活性剤を構成する。
Embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a view for explaining an apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the action of the cooling liquid and the surfactant, the generation mechanism of the ultrafine particles, and the formation process of the monodispersed ultrafine particle suspension. An explanation will be given by taking as an example fine particles of a poorly water-soluble substance dissolved in supercritical carbon dioxide with cooling water containing a hydrophilic surfactant.
First, each item in the present invention will be described.
Ultrafine particles: Originally, only particles around nanometers are considered to be nanoparticles, but in the field of drug fine particle production, particles of 1 micrometer or less are called nanoparticles. In the present invention, particles from nano-order to micro-order are called ultrafine particles.
Supercritical solution: A supercritical fluid containing a solute. Originally, a supercritical fluid is a fluid at a temperature and pressure exceeding the critical point of a substance, and has a much higher ability to dissolve a substance than a gas or liquid. Examples of the supercritical fluid in the embodiment include supercritical carbon dioxide that is not toxic and easy to operate. Other supercritical fluids that are easy to handle include ethane, propane, methanol, ethanol, ammonia, and xenon.
Surfactant: A phenomenon in which a substance is adsorbed on the interface and its interfacial tension decreases is called surface activity, and an effective substance that exhibits remarkable surface activity in a small amount is called a surfactant. In consideration of safety, the surfactant in the examples was selected to be a hydrophilic non-ionized surfactant of about HLB15 toward the slightly water-soluble drug fine particles. In addition to nonionic surfactants, anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants and the like can be considered.
Solutes soluble in supercritical fluids: Nearly one-third of all drugs are difficult to dissolve in water, but drugs that are soluble in supercritical carbon dioxide are not uncommon. Examples include aspirin as an anti-inflammatory agent and lidocaine used for anesthesia and cardiac arrhythmia. In addition, pigments, cosmetics, polymer materials, etc. are also conceivable.
Suspension: A solution in which solid particles are dispersed in a liquid. Or it is also called a colloidal solution or a suspension. The suspension obtained in the examples constitutes water, ultrafine particles and a surfactant.
本発明では、適量な溶質を高圧チャンバー10に入れ、超臨界二酸化炭素の臨界点(臨界温度31.2℃、臨界圧力7.38MPa)を越える温度と圧力に調整し、溶質を超臨界二酸化炭素に溶解させる。溶質を溶かすため、必要であれば撹拌器にて撹拌する。
次に、選択した冷却液を臨界温度より低い温度に調整した後、シリンダーポンプ 11にいれ、高圧チャンバー10の圧力より数MPa高い圧力をかけ、高圧チャンバー10内に設置したノズル8から冷却液を霧状に高速噴出させて、液滴15の表面近くにある超臨界二酸化炭素溶液を急速冷却する。
急冷により、高圧チャンバー10内にある溶質17が液滴の表面に析出が始まる。攪拌効果および拡散運動により、析出した固体溶質が液体内部に入り、界面活性剤分子16と接触する。界面活性剤16が固体粒子の表面に吸着し、粒子と粒子との凝集を防止し、結晶成長を停止する。従って、表面親水性を持ち単分散超微粒子19を懸濁液20の状態で作製することが可能となる。
In the present invention, an appropriate amount of solute is put into the high-
Next, after adjusting the selected cooling liquid to a temperature lower than the critical temperature, it is put into the cylinder pump 11 and a pressure higher by several MPa than the pressure of the
Due to the rapid cooling, the
次に、実施例について説明する。超臨界二酸化炭素に対する溶解度の高いリドカインとアスピリンをモデル薬とした。食品添加物に使われ、人体に対する影響や環境影響などがなく、きわめて高い安全性を有するTween-80とショ糖脂肪酸エステルを界面活性剤とした。 Next, examples will be described. Lidocaine and aspirin, which have high solubility in supercritical carbon dioxide, were used as model drugs. Tween-80 and sucrose fatty acid ester, which are used as food additives and have no safety effects on the human body or environment, have extremely high safety, and are used as surfactants.
高圧チャンバー10に所定量(0.025%)のアスピリンを入れた後、二酸化炭素を導入し、50℃、15MPaに調整して、超臨界二酸化炭素にアスピリンを溶解する。一方、ゼリー状の非イオン性界面活性剤Tween-80(HLB=15)を約70℃で水に完全溶解した後、約10℃に冷却する。このTween-80水溶液(0.5wt%)を冷却容器11に入れる。この冷却液を圧力20MPaの条件下、直径約0.2mmのノズル8を通して高圧チャンバー10に噴射する。数分間攪拌した後、高圧チャンバーのバルブを開け、大気圧までゆっくり減圧して、超微粒子懸濁水溶液を回収した。この懸濁液中の粒子サイズをレーザー散乱分析法で測定した。その結果を表1と図3に示す。平均約280ナノメートルの超微粒子が形成されていることが分かった。
表1:アスピリン超微粒子のサイズ分布測定結果
After a predetermined amount (0.025%) of aspirin is put into the high-
Table 1: Size distribution measurement results of ultrafine aspirin particles
高圧チャンバー10に所定量(約0.05wt%)のリドカインを入れ、二酸化炭素を導入し、50℃、10MPaに調整して、超臨界二酸化炭素にリドカインを溶解する。一方、粉末状の非イオン性界面活性剤ショ糖脂肪酸エステル(S-1570、HLB=15)を約70℃の水に完全溶解した後、約5℃に冷却する。このS-1570冷却液(0.03wt%)を冷却容器11に入れ、この冷却液を圧力15MPaの条件下、直径約0.2mmのノズル8を通して超微粒子製作チャンバー9に噴射する。高圧チャンバー10全体を冷却槽13中に入れ、氷水を充満させて冷却効果を強化する。高圧チャンバー10内を数分間攪拌し、生成粒子と液体を中に均一分散させる。圧力を解放後に、生成粒子が懸濁した液を採取し、レーザー散乱分析法で粒子サイズを測った。その結果を表2と図4に示す。10ナノから120ナノまで、平均62ナノメートルの超微粒子が形成されていることが分かった。
表2:リドカイン超微粒子のサイズ分布測定結果
A predetermined amount (about 0.05 wt%) of lidocaine is put into the high-
Table 2: Size distribution measurement results of lidocaine ultrafine particles
本発明は、医薬品、材料、化学業界等の幅広い分野において、超微粒子の創製、単分散した超微粒子懸濁液の製造方法に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a wide range of fields such as pharmaceuticals, materials, and the chemical industry for producing ultrafine particles and producing monodispersed ultrafine particle suspensions.
1 二酸化炭素ボンベ
2 バルブ
3 冷却機
4 ポンプ
5 圧力調整器
6 ヒータ
7 超臨界二酸化炭素リザーバー
8 注入部
9 攪拌器
10 超微粒子作製チャンバー
11 冷却液注入用高圧シリンダーポンプ
12 溶質注入器
13 外部冷却槽
14 回収容器
15 冷却剤液滴
16 界面活性剤
17 超臨界溶液から析出した超微粒子
18 合流した冷却液
19 表面親水性を持つ単分散粒子
20 溶液に分散している超微粒子懸濁液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon dioxide cylinder 2 Valve 3
Claims (5)
5. The apparatus for producing monodispersed ultrafine particles according to claim 1, wherein the cooling liquid injection part is composed of a fine nozzle or a perforated plate, and a high-pressure chamber equipped with an internal stirrer and an external cooling tank is used.
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